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Termodinamica: Ciclos de refrigeracionParte 1

Olivier Skurtys

Departamento de Ingenierıa MecanicaUniversidad Tecnica Federico Santa Marıa

Email: [email protected]

Santiago, 16 de julio de 2012

Presentacion

1 Generalidades sobre el frıo

2 Maquinas a compresion mecanica simple

3 Maquinas a compresion a multiples etapas

Generalidades sobre el frıo Maquinas a compresion mecanica simple Maquinas a compresion a multiples etapas

Generalidades sobre el frıo

1 Generalidades sobre el frıoIntroduccionAplicaciones industriales del frıoProduccion de frıoCiclo frigorıfico de CarnotCoeficiente de desempenoDiagramas frigorıficos


Introduccion



Introduccion

Se distinga en el dominio del frıo 2 dominios distintos:La refrigeracion que consiste a producir y mantener unatemperatura inferior a la temperatura ambiente.La criofisica que es la ciencia de las propiedades de la materia amuy baja temperatura (algunos Kelvin)

La distincion entre refrigeracion y criofisica difiere segun el uso.En la industria la refrigeracion tiene generalmente por limite lalicuefaccion del aire (−140◦C)el aire es una mezcla (80 % nitrogeno, 20 % oxigeno), no tieneuna temperatura critica por definicion.Sin embargo, es posible de licuar el aire a una temperaturainferior a (−140◦C).


Aplicaciones industriales del frıo



Aplicaciones industriales del frıo

Dominio medıcale: conservacion de algunos productos, organos,. . .Industria de los alimentos: conservacion de los alimentos, . . .Industrias quımicas y petroquımicas: licuefaccion de los gases porel transporte, tecnicas para sacar la parafina, produccion de nievecarbonico, . . .Condicionamiento de los locales: aire acondicionado, pista depatinaje, canon a nieve, . . .Laboratorios de ensayo y de investigacion: estudio de losmateriales y comportamiento de la materia a muy bajatemperatura


Produccion de frıo



Produccion de frıo

Todo proceso endotermico puede constituir un metodo capaz deproducir el frio:

fusion de un solido,sublimacion de un solido,vaporizacion de un liquido,expansion de un gas,efecto Peltier (termoelectrico),. . .


Produccion de frıo

Comentarios

Las maquinas las mas corrientes funcionan vaporizando el liquidofrigorıfico en la camara frıa.Es precisamente durante esta operacion que el calor es absorbido.Si deseamos una produccion continua de frıo, es necesario realizarun ciclo,

es decir combinar un fenomeno exotermico a un fenomenoendotermico

Las maquinas frigorıficas son a lo menos bitermicas


Ciclo frigorıfico de Carnot




El ciclo de Carnot es compuesto:de 2 isotermasy de 2 adiabaticas



Primer principio

−W + Q0 + Qk = 0 (1)

Segundo principioQ0 = T0(Sc − SD) Qk = Tk(SA − SB) (2)

Tenemos:SA = SD SB = SC (3)

W = Q0 + Qk = T0(Sc − SD) + Tk(SA − SB)= T0(SB − SA) + Tk(SA − SB)= (SB − SA)(T0 − Tk) < 0 (4)

Entonces, el sistema:recebe un trabajo W ,toma el calor Q0 a la fuente frıa,y da una cantidad de calor Qk a la fuente caliente.



Esquema de un refrigerador de Carnot


Coeficiente de desempeno



Coeficiente de desempeno

El rendimiento termico de las maquinas inversas se llama: coeficientede desempeno o de eficiencia (COP, coefficient of performance)

Caso de una maquina frigorıfica

COPrefrig =obtenido

gasto=

Qf

Wneto=

Qf

Qc −Qf(5)

Caso de una bomba de calor

COPbdc =obtenido

gasto=

Qc

Wneto=

Qc

Qc −Qf(6)

Ademas tenemos:COPbdc = COPrefrig + 1 (7)

eso implica que COPbdc > 1 como COPrefrig > 0


Diagramas frigorıficos




Los diagramas principalmente usados por en refrigeracion son:El diagrama temperatura - entropıa: T -S.y el diagrama presion entalpıa: ln P - h.

Vamos usar el diagrama T -S.



Propiedades de T -S

Las isotermas son horizontalesLas adiabaticas reversibles son verticalesLas adiabaticas irreversibles son las curvas inclinadas hacıas losvalores crecientes de S



Propiedades de T -S

El area bajo la curva representa:El calor intercambiadoen el caso de un ciclo reversible, el area del ciclo representa lacantidad de calor total absorbido por el sistemaEl primer principio, permite de concluir que este area representaigualmente el trabajo producido.



Titulo de vapor

En el caso de una mezcla liquido-vapor (T < Tc), el titulo de vapor es:la mase de vapor contenido en la unidad de masa de mezcla



Titulo de vapor

El titulo de vapor se escribe

SM = (1− x)SA + xSB ⇒ x =SM − SA

SB − SA(8)

x =SM − Sliq

Svap − Sliq(9)



Titulo de vapor

Se puede demostrar de la misma manera:

hM = (1− x)hA + xhB ⇒ x =hM − hA

hB − hA(10)

x =hM − hliq

hvap − hliq(11)



Expansion isentropica

Una expansion isentropica producira segun las condiciones inicialesdel titulo:

si x > 12 (C → D) la expansion provoca una condensacion.

si x < 12 (A→ B) la expansion provoca una evaporacion.


Maquinas a compresion mecanica simple

2 Maquinas a compresion mecanica simpleCiclo frigorıfico teorico


Ciclo frigorıfico teorico

2 Maquinas a compresion mecanica simpleCiclo frigorıfico teorico



Las maquinas frigorıficas a compresion mecanica simple son las mascorrientes.

El ciclo frigorıfico es compuesto de los procesos siguientes:una compresion politropica (adiabatica por el ciclo teorico)una condensacion isobaricauna expansion adiabaticauna vaporizacion isobarica



Principio

El fluido frigorıfico se vaporiza a la temperatura T0 y a la presionP0 tomando un cantidad de calor Q0

El vapor es comprimido a la presion Pk

En un segundo intercambiador de calor:el vapor es condensado a la presion Pk y a la temperatura Tk

constantesbotando el calor Qk.

El liquido tiene expansion de la presion PK a la presion P0.



Ciclo teorico en el diagrama T -S y ln P - h

Se usa tambien la formula:

(qentrada − qsalida) + (wentrada −wsalida) = hextremidad − hinicial (12)

COPrefrig =Qf

Wneto=

hA − hD

hB − hA(13)



Ciclo teorico en el diagrama T -S y ln P - h

Se usa tambien la formula:

(qentrada − qsalida) + (wentrada −wsalida) = hextremidad − hinicial (14)

COPbdc =Qc

Wneto=

hB − hC

hB − hA(15)


Maquinas a compresion mecanica simple

3 Maquinas a compresion a multiples etapasIntroduccionPrincipio de la compresion a 2 etapasCiclo en los diagramas


Introduccion



Introduccion

Cuando la temperatura del medio a enfriar es muy baja:la presion de evaporacion es muy pequenaLa razon de compresion toma entonces valores elevadas esoconduce a:

un rendimiento energetico pequeno,una temperatura en fin de compresion muy elevada.

Se puede contornar estos inconvenientes cortando la compresion envarias fases, comportando un enfriamiento entre las fases.

En general, la compresion en 2 etapas es necesario cuando la tasade compresion es superior a 25.


Principio de la compresion a 2 etapas



Principio de la compresion a 2 etapas

El vapor sobre calentado es comprimido en el compresor de bajapresionEl vapor es enfriado a presion constanteEl vapor sobre calentado es comprimido en el compresor de altapresionEl ciclo continua normalmente, . . .


Ciclo en los diagramas



Ciclo en los diagramas

A2B1 compresion bajaB1B2 enfriamiento isobaricaB2C1 compresion altaC1C2 enfriamiento isobaricoC2C3 condensacion isobaricaC3C4 sub-enfriamiento isobaricaC4A1 expansion isentalpicaA1A2 evaporacion isobarica

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